薄壁結構加強的納米復合涂層深海高壓吸聲性能

付宜風 王虎鳴 曹 攀

1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江，2120132.新南威爾士大學機械工程學院，澳大利亞，悉尼，NSW 20523.揚州大學機械工程學院，揚州，225127

0 引言

軍事領域中，吸聲涂層的使用可顯著提高潛艇和艦船的隱身性[1-2]。傳統的吸聲材料是Alberich型吸聲覆蓋層[3-4]即內置空腔的橡膠，但這種材料的低頻吸聲效果不理想，為提高低頻吸聲性能而大幅增厚涂層不但會降低艦船的靈活性，也會增大成本。

納米復合材料具有較好的低頻吸聲特性[5-6]，其中，石墨烯/橡膠納米復合材料材料在6～30 kHz的平均吸聲系數可達0.8[7]。YUAN等[8]證明添加石墨烯納米片狀顆粒能使丁苯橡膠在2～30 kHz區間的吸聲系數從0.35提高到0.73。碳納米管可顯著提高材料的低頻吸聲性能，添加1%(質量分數)碳納米管的聚氨酯在2～6 kHz區間的吸聲系數可提高23.3%[9]。這是由于納米顆粒具有很大的表面積比和優異的導熱性，傳入材料內的聲波會引起納米顆粒與聚合物鏈狀結構間的相互摩擦，將聲波的能量轉化成熱能耗散掉[10-11]。此外，在混入納米顆粒過程中滲入的微氣泡進一步加強了聲音的散射和耗散[12]。然而，以聚合物為基體材料的納米復合材料涂層抗壓性較弱，并隨水深增加而壓縮，導致材料的吸聲性能顯著降低，限制了該材料在深海區域中的應用[13-14]。

為減小深水高壓對水下吸聲材料的影響，研究者采用了多種方法。第一種方法是采用抗壓的基體材料，王清華[15]使用較硬的聚氨酯類材料替換聚硅氧烷基體后，材料在高壓下的吸聲性能有了明顯的提高。采用互穿網絡結構提高基體材料的抗壓能力，讓兩種聚氨酯材料互相滲入固化在鋁泡沫骨架內，使其具有極高的抗壓能力，試驗表明該種結構的基體材料在5 MPa時仍具有良好的吸聲性能[16]。第二種方法是利用具有抗高壓性能的硬固體填料替代易變形的空腔結構。SPERO等[17]用玻璃球體提高水下平臺吸聲材料的抗壓性，即將制作復雜的吸聲材料混入帶橡膠內核的玻璃球體，其中，抗高壓玻璃球體由聲透性材料制成，橡膠內核起到共振的作用，可以耗散聲波能量。空心的玻璃球體可以直接用來吸聲，但它在高壓下的性能未驗證[18-19]。JAYAKUMARI等[20]利用短碳纖維與聚氨酯類橡膠制備的復合材料實現了水下高壓吸聲，但填充材料的尺寸對吸聲的頻率有顯著影響。第三種方法是增厚材料并利用表面形貌實現高壓吸聲。楔形吸聲材料是運用最廣的一類[21]，其漸變的形狀可同時實現阻抗匹配和聲波耗散，且受壓力影響的形變不大，同時可用高強度的材料進一步減少形變[22]。目前，楔形吸聲材料是高壓消聲水池的標準吸聲材料，但其過大的尺寸會急劇增大航行阻力并容易脫落，目前無法應用于潛艇和艦船表面。

本文基于一種納米復合材料PSM(PDMS為基體，表面活性劑Surfactant改性的羧基化多層碳納米管(MWCNT-COOH)為填料)[14]研究壓力和吸聲系數的關系，并利用仿真和試驗設計出一種新型耐高壓吸聲結構。該結構在不改變原吸聲材料主體的組分或顯著增大厚度的條件下，可以顯著提高材料的抗壓性能。

1 結構設計和仿真與試驗

1.1 設計依據

圖1a所示為PSM材料的吸聲系數(1500～7000 Hz的平均系數)和靜水壓力之間的關系。材料在水壓為0時的平均吸聲系數為0.9，水壓0.1 MPa的吸聲系數為0.93，吸聲系數從水壓0.2 MPa開始下降，1.5 MPa下的吸聲性能明顯降低。為探究高壓下材料發生的變化，采用壓縮試驗模擬深水壓力。如圖1b所示， PSM材料受壓后很容易形變，材料在1.5 MPa的壓力下壓縮了34.17%。材料內部的宏觀結構和微觀結構在嚴重的形變下會發生顯著的變化，吸聲系數明顯下降。提高材料高壓下吸聲性能的一個有效方法是減小材料的壓縮應變，這個壓縮量可以根據目標吸聲系數來確定，一般認為吸聲系數達到0.8時，該材料有很好的吸聲性能。由圖1可得PSM在0.25 MPa下的平均吸聲系數為0.8，在對應的壓縮試驗中，PSM在0.25 MPa下的壓縮應變是6%。由此可得，材料在1.5 MPa下只有6%的壓縮應變即可維持0.8的平均吸聲系數。在新設計的結構中，新添加的材料應既能提高原有材料的抗壓性能，又保持原有材料的吸聲特性，為達到這一設計要求，需要將一種聲透的薄壁結構添加到PSM。

(a)吸聲系數和靜水壓力

1.2 結構設計與材料選擇

如圖2所示，為提高PSM的抗壓性能，在PSM上覆蓋硬薄壁結構和一層軟內襯。硬薄壁結構的作用是支撐PSM，避免壓力直接作用于PSM。軟內襯的作用是吸收中間區域的剩余壓力。水聲管內徑為120 mm，所以PSM直徑D要小于120 mm，為殼體材料留出空間。為盡量不改變PSM的吸聲效果，PSM的厚度仍為10 mm，添加材料的原則是盡量控制總厚度。圖2中，T1為硬殼側面的厚度，T1=(120-D)/2；T2為硬殼頂部的厚度；T3為軟內襯材料的厚度。

圖2 新設計抗壓吸聲結構的二維示意圖

為達到設計目標，選取特定材料。硬殼和軟內襯都是聲透材料，即特性聲阻抗可以和水相匹配，這樣聲波才可以傳入內部被吸收。試驗室常見的聲透高分子材料為硅橡膠材料(PDMS、Ecoflex等)、聚氨酯(PU)、環氧樹脂(epoxy)和水凝膠等，它們與水的材料特性如表1所示。

表1 各聲透材料與水的性能

注：該水凝膠由90%(質量分數)的水和10%的聚乙烯醇制備。

環氧樹脂的彈性模量最大，可以作為硬殼。試驗選用環氧樹脂FGI (組分包括樹脂R180和固化劑H180，混合比例(質量比)為5∶1)。水凝膠和Ecoflex都比PDMS軟，但水凝膠的材料穩定性較差，不利于長時間使用，因此，選用Ecoflex 00-30(包括組分A和B，質量比例為1∶1)為軟內襯材料。

1.3 結構尺寸確定方法

通過聲學測試和FEM仿真模型確定硬殼材料側面厚度T1、頂部厚度T2，以及軟內襯材料厚度T3，具體步驟如下：

(1)通過水聲測試確定T1。水聲管測試的樣品直徑為120 mm，為添加硬殼材料，PSM的直徑需小于120 mm，且吸聲系數不小于0.8，因此制備了直徑120 mm、116 mm、114 mm和110 mm的PSM樣品。

(2)PSM直徑改變后，采用FEM獲取不同直徑對應PSM的應力-應變曲線。

(3)采用FEM確定T2和T3。獲得T1及不同直徑PSM的應力-應變曲線后，采用FEM模擬不同尺寸的新結構在1.5 MPa的形變，進而確定合適的T2和T3，如表2所示。

表2 FEM仿真模型設計的T2和T3

1.4 材料的制備

本文制備3組不同的材料，其中PSM的制備見文獻[14]，其他制備方法如下。

第1組為直徑不同(120 mm、116 mm、114 mm和110 mm)、厚度相同(10 mm)的PSM。首先稱取定量的MWCNT-COOH，再混入質量比例為1∶1的表面活性劑(D191和D192)，混合后再加入PDMS組分A，通過三輥機在轉速100 r/min下充分混合5次，并依次減小滾軸間的縫隙，最后加入PDMS組分B(組分B與組分A的質量比為1∶10)，手動攪勻后通過真空泵除氣，待無明顯氣泡后倒入模具，并放入烘箱在65 ℃下固化90 min，冷卻后脫模即得到PSM樣品。

第2組為只帶硬殼結構的PSM。PSM先粘貼在鋼板背襯的中心，環氧樹脂的兩組分以質量比5∶1充分混合后澆灌在PSM周圍。室溫下固化24 h后，將其置于烘箱內以50 ℃烘烤12 h以進一步增強環氧樹脂的強度。

第3組為帶硬殼和軟內襯的PSM，即在添加環氧樹脂硬殼之前，在PSM的頂部覆蓋一層Ecoflex。Ecoflex兩個組分的質量比為1∶1，充分混勻、除去氣泡后澆注在PSM上，并放入烘箱60 ℃固化1 h。該結構的環氧樹脂硬殼覆蓋的方法與第2組一致。

1.5 建立FEM壓縮仿真模型

為確定硬殼和軟內襯的厚度，通過FEM來計算材料的壓縮率(應變)是否小于6%。建立基于仿真軟件ANSYS的FEM，幾何模型如圖2所示，網格為結構化0.5 mm的Hexahedron網格。通過加載壓力模擬水壓，壓力垂直均勻由上向下作用于樣品頂部。

1.6 壓縮試驗和高壓水聲測試

壓縮試驗在Instron 3369-50 kN萬能材料試驗機上進行，施加的壓力為0～17 kN(對應的水壓為0～1.5 MPa)，壓縮速率為1 mm/min。

材料的吸聲性能參照GB-T14369—2011在水聲管中測試，測試的樣品直徑為120 mm，測試頻率為1500～7000 Hz，可模擬的靜水壓力為0～1.5 MPa，測試溫度為室溫。

2 結果分析

2.1 FEM仿真模型驗證

為驗證FEM仿真模型的準確性，對PSM的壓縮試驗結果和仿真結果進行對比。如圖3a所示，PSM樣品的應力-應變曲線近似為線性曲線。1.5 MPa下的試驗壓縮率為34.17%，仿真壓縮率為34.10%，對應的壓縮試驗和仿真形變分別如圖3b、圖3c所示，可知建立的FEM可以仿真材料在壓力下的形變，能用于硬殼和軟內襯的尺寸計算。

(a)應力-應變曲線

2.2 PSM直徑對吸聲系數和壓縮性能的影響

不同直徑PSM樣品在常壓下的吸聲性能如圖4所示，φ120 mm樣品在全測試頻率范圍內的吸聲系數大于0.8。樣品直徑縮小到116 mm后，吸聲系數稍微減小，但仍基本保持在0.8以上。樣品直徑縮小到114 mm時，材料的吸聲性能顯著下降，吸聲系數只能維持在0.6左右。直徑為110 mm時，吸聲系數進一步下降到0.4左右。由此可得，PSM直徑對吸聲性能有顯著的影響。測試樣品固定在鋼板表面，直徑小的樣品導致部分鋼板裸露，入射的聲波在裸露的鋼板表面反射，導致整體的吸聲系數減小，稱之為邊界效應[28]。因此，所有測試樣品應與水聲管的直徑一致，避免邊界效應導致的測試結果不準確。為了滿足上述要求，PSM的直徑減小到116 mm，環氧樹脂的側面厚度為2 mm，樣品的直徑仍為120 mm。

圖4 常壓下不同直徑PSM樣品的水下吸聲性能

通過FEM仿真對PSM直徑改變后的壓力-壓縮率曲線進行校準，結果如圖5所示，可以發現PSM直徑減小后，壓力-壓縮率曲線沒有明顯的改變，尤其是在壓力較低的范圍內。壓力為0.25 MPa時，直徑116 mm的PSM的壓縮率仍為6%。由1.1節可得，直徑120 mm的PSM在壓力0.25 MPa下的吸聲系數為0.8，對應的壓縮率為6%，所以將直徑116 mm作為新結構的參考值。

圖5 PSM樣品的仿真壓力-壓縮率曲線(D=116,120 mm)

2.3 硬殼和軟內襯材料對壓縮性能的影響

為確定硬殼和軟內襯材料的厚度，通過FEM計算不同結構PSM在1.5 MPa下的壓縮率，如表3所示。沒有任何結構的PSM在1.5 MPa下的壓縮率為34.17%，遠遠超過設定的目標值6%。添加了側面厚度2 mm、頂部厚度2 mm的環氧樹脂硬殼后，壓縮率下降到3.13%。頂部厚度提高到3 mm后，壓縮率不變，所以環氧樹脂底部的厚度確定為2 mm。如圖6所示，沒有硬殼保護的PSM在1.5 MPa的壓力下完全變形，在硬殼的保護下則沒有明顯的形變，但PSM的中心區域仍受到明顯的壓力，形變較大。為減小中間區域的形變，在硬殼和PSM中間添加軟內襯來吸收壓力。仿真表明，添加了厚度1 mm或2 mm的軟內襯后，PSM的壓縮率減小到0.89%，但2 mm的最大形變量更小，所以軟內襯的厚度T3定為2 mm。由仿真的形變圖可以看出，中間區域的形變得到了改善，幾乎消除了壓力的影響。

表3 不同設計結構的對比

(a)PSM

壓縮試驗驗證了不同結構在1.5 MPa下的抗壓能力。如圖7a所示，PSM被嚴重擠壓變形；添加了厚度2 mm的環氧樹脂硬殼后，材料的強度得到了明顯的提高，幾乎看不出明顯的壓縮(圖7b)，經過計算可得壓縮率為3.83%，與仿真結果很接近。再添加了2 mm厚的Ecoflex軟內襯后，材料整體厚度增大，1.5 MPa下同樣沒有可見形變，計算得到的壓縮率為3.12%。此處的壓縮量包括軟內襯形變的壓縮量，所以大于FEM仿真中PSM單獨的壓縮率0.89%。由此可得，硬殼和軟內襯可以很好地保護PSM不受高壓形變的影響。

(a)PSM

2.4 高壓下不同結構的吸聲性能

不同結構材料吸聲性能的測試結果如圖8所示，PSM的吸聲性能隨壓力的增大而迅速下降，壓力為0.5 MPa時，1500～7000 Hz的平均吸聲系數從0.9左右下降到0.4；壓力增大到1.5 MPa時，吸聲系數降到了0.2以下。添加了環氧樹脂硬殼后，吸聲系數如圖8b所示，材料在0 MPa下的吸聲性能有所降低，但在高壓下的吸聲性能明顯提高，壓力低于0.5 MPa時的吸聲系數可以保持在0.65左右。壓力進一步增大時，吸聲系數仍沒有明顯的下降，壓力不超過1.5 MPa時的吸聲系數維持在0.65左右，由此可得環氧樹脂硬殼可提高材料在高壓下的吸聲性能。吸聲性能仍然有所下降的原因是PSM中間區域的形變(圖6b)。如圖8c所示，在硬殼和PSM中間添加軟內襯后，材料在高壓下的吸聲性能進一步提高，壓力增大到1 MPa時，1500～7000 Hz的平均吸聲系數保持在0.8左右。當壓力升到1.5 MPa時，材料在低頻率范圍(1500～3500 Hz)內的吸聲系數有所減小，但1500～7000 Hz的平均吸聲系數仍接近0.7。低頻段吸聲系數的減小不能完全用材料的形變來解釋，因為圖6c的PSM在1.5 MPa下的形變幾乎可以忽略。許多研究都將低頻的吸聲原理歸因于彈簧質量系統的共振[29-31]。硬殼和軟內襯材料很好地保護了PSM，避免了高壓產生的形變，顯著提高了PSM材料的高壓吸聲性能，但硬殼和軟內襯材料可能限制了彈簧質量系統的振動，在高壓下引起低頻段的吸聲性能下降。

(a)PSM

3 討論

由試驗結果可得，環氧樹脂硬殼和Ecoflex軟內襯在高壓下可以有效地保護PSM吸聲材料。如圖9所示，環氧樹脂硬殼可透射聲波，不影響PSM的吸聲性能，并為PSM提供支撐，像一個保護罩隔絕了絕大部分壓力的影響。Ecoflex軟內襯材料吸收中間易變形區域的壓力，進一步減小壓力對PSM吸聲性能的影響。本研究中，較大的形變會顯著影響材料全頻段的吸聲性能，因為較大的形變不但減小材料的厚度，而且導致材料內部微結構和微氣泡的擠壓變形甚至消失[1]。相對微小的形變也可能導致材料吸聲性能下降，這一現象可以通過自由體積理論來解釋[15]。自由體積理論認為，高分子材料的大分子結構周圍的自由體積越可以自由移動，材料就越容易吸收聲波的能量。常壓下的自由體積類似于球形，易在柔性的分子鏈段間運動。單向高壓下，自由體積被壓縮為橢球狀，導致自由體積在柔性鏈段中的運動受阻，這是大部分聚合物的吸聲性能隨壓力增大而減小的原因。

圖9 具有硬殼和軟內襯的PSM吸聲示意圖

圖10對比了不同材料在高壓下的吸聲性能。壓力1.5 MPa下，本文材料明顯好于添加了石墨烯的丁苯橡膠[7]和帶螺栓結構的聚氨酯超材料[32]。雖然碳纖維蜂窩支撐的階梯空腔聚氨酯材料[33]的表現好于本文材料，但本文材料的厚度僅為14 mm，而碳纖維蜂窩支撐的階梯空腔聚氨酯材料[33]的厚度為60 mm，另外該研究的壓力是1 MPa，沒有達到1.5 MPa。由此可得，本材料更具有優勢，研究中提出的新結構可以提高材料水下高壓的吸聲效果。

圖10 高壓下不同結構材料的吸聲性能

4 結論

本文研究了壓力對吸聲涂層性能的影響，發現PSM材料在壓力增大時的吸聲系數不斷減?。粸榭朔@一問題，在不改變PSM材料組分的情況下，在PSM周圍添加環氧樹脂硬殼和Ecoflex軟內襯材料，添加的結構具有聲透性，不影響PSM的吸聲性能。通過試驗和FEM仿真確定了各結構的尺寸，確保PSM在1.5 MPa下的壓縮率小于6%。添加2 mm厚的環氧樹脂硬殼后，PSM材料在1.5 MPa下的壓縮率從34.17%下降到3.13%。再添加2 mm厚的Ecoflex軟內襯后，PSM的壓縮率減小到0.89%。水聲試驗表明添加了硬殼和軟內襯后，PSM在1.5 MPa下的平均吸聲系數(1500～7000 Hz)從不到0.2提高到0.7。由此可得，筆者設計的結構能有效增強吸聲材料在高壓下的吸聲性能。